微流体数字化技术制备聚合物微透镜阵列

基于微流体数字化技术搭建了聚合物微透镜阵列按需喷射制备实验系统。以UV固化胶为喷射材料,将其按需喷射到镀有疏水化薄膜的玻璃基片上,在界面张力和疏水化效应的作用下,形成平凸状的微液滴,再经紫外光固化后形成微透镜阵列。实验研究了系统参量对稳定微喷射与微透镜直径的影响,稳定微喷射出了黏度值为50×10-3 Pa·s的UV胶,制得了最小直径达25μm的微透镜,进而制备出了直径变异系数C·V达0.64%、焦距均匀性误差为1.7%的15×15微透镜阵列。微透镜在扫描电子显微镜下具有较好的表面形貌,采用白光干涉/轮廓仪(VSI模式)测得其轮廓算术平均偏差Ra为247.99nm(扫描区域:29.4μm×39.3μm),扫描区域轮廓曲线平滑。通过微透镜阵列的成像实验,得到了微透镜阵列所成的清晰实像。实验结果表明,采用微流体数字化技术进行聚合物微透镜阵列的按需喷射制备过程简单、成本低廉、工艺参数稳定;制备的微透镜阵列几何与光学性能优越。     

微拱形阵列导光板快速热压成型与微光学应用

微透镜阵列热压精密成型需要时间保温,生产效率较低。因此,提出在模芯加热表面的微沟槽阵列上对聚合物导光板进行热压,使工件热变形的微米尺度表面层流入微沟槽空间内,快速形成微拱形透镜阵列,而保证工件主体不变形。目的是实现高效率和低能耗的微光学透镜阵列热压成型加工。首先,针对导光板表面的微阵列结构和尺寸分析其微光学性能;然后,使用微磨削技术在模芯表面加工出高精度和光滑的微沟槽阵列结构;最后,研究微拱形阵列的快速精密成型工艺及微光学应用。微光学分析显示,微阵列的高度和分布密度对出光面的光照度影响较大。热压工艺实验结果表明,采用深度为104μm和角度为121°的微沟槽阵列模芯,在12 MPa的压力和110℃的温度下,可以在3s内将高度为50μm的3D微拱形阵列导光板快速精密热压成型。本文方法制作的87mm×84mm的导光板,与市面具有2D点阵且高度为8.2μm的丝网印刷导光板相比,光照度提高了21%,光照均匀度提高了27%。本文研究将促进微光学精准设计和制造在LED照明产业的应用。     

电场驱动喷射微3D打印的高性能纸基电路制造工艺研究

提出了一种基于电场驱动喷射沉积微尺度3D打印制造高分辨率纸基电子的新方法。阐述了该方法的基本原理与工艺流程,通过实验揭示了主要工艺参数（电压、气压、打印速度）对三种纸质基材上打印银线的质量和精度影响及其规律。利用自主研发的电场驱动喷射微3D打印机,使用含银量75%和动力黏度35 Pa·s（25 ℃）的低温纳米银浆,并结合优化工艺窗口,在纸质基材上通过多层堆叠打印实现了高分辨率、大高宽比微纳结构,其中在RC相纸上堆积15层后,其线宽可保持在10 μm、高宽比增至6.33,电阻下降了94.8%。最后,在不同纸质基材表面制作了柔性电磁驱动器、复杂导电图案等样件来证明其打印能力。结果表明,采用电场驱动射流沉积微尺度3D打印技术新方法,并结合高黏度低温烧结纳米银浆,可为高性能纸基电子制造提供有效途径。     

导光均光微槽透镜阵列精密磨削及其热压微成型

薄壁LED照明依赖丝网印刷的微阵列导光板,但其表面油墨点阵易老化,且微结构很难优化。因此,在导光板表面设计出高斯分布的空间微槽透镜阵列,并采用数控微磨削技术对其进行加工,替代市面丝网印刷的2D微圆阵列。首先,用微光学原理模拟导光板导光效率和出光均匀度,优化微透镜阵列的形状、尺寸和分布。利用金刚石砂轮微尖端在PMMA导光板表面精密磨削出微透镜阵列,检测其导光效率及均匀性。最后,利用微磨削加工的微阵列成型钢模芯开发微透镜阵列的快速热压微成型工艺。微光学分析表明,微槽透镜阵列比微方形透镜阵列和微半球透镜阵列分别提高导光效率6%和15%。而且,微槽透镜阵列变间距高斯分布比等间距分布提高导光效率32%,提高出光均匀度73%。试验结果显示,微磨削可以控制微槽透镜阵列加工的表面质量和形状精度,应用于LED导光板后比丝网印刷的导光板提高导光效率7%和出光均匀度9%。此外,开发3 s的快速热压微成型工艺,可以加工出变间距和变深度的微槽透镜阵列,比丝网印刷的微圆阵列提高照度26%和出光均匀度49%。因此,微空间结构优化的微槽透镜阵列比丝网印刷的2D微圆阵列可附加出更高的微光学应用价值。     

高性能电加热玻璃3D打印与微转印复合制造工艺

为了解决透明电加热玻璃制造技术难以兼顾电加热玻璃加热线的透光率、导电性以及附着力的问题,开发了一种可低成本、批量化实现高性能电加热玻璃制造的复合工艺。该工艺采用电场驱动熔融喷射沉积(Electric-field-driven Fusion Deposition,EFD)3D打印和UV辅助微转印复合制造透明电加热玻璃。根据复合制造工艺原理,选择及配制了EFD 3D打印、UV辅助微转印介质以及加热线材料。通过具体实验揭示了主要工艺参数对制造透明电加热玻璃加热线结构参数的影响以及规律,并确定了复合制造工艺的最佳工艺窗口。依据最优工艺参数实现了有效图案化面积为60mm×70mm,线宽为15μm,高宽比为0.7,周期为1 000μm,透光率为88%,方阻为0.5Ω/sq,附着力为4B级,加热线为线栅结构的透明电加热玻璃制造。实验结果表明:利用EFD 3D打印和UV辅助微转印复合工艺制造的透明电加热玻璃具有透光率高、方阻低及附着力高等优势。该复合工艺为实现低成本、高性能的电加热玻璃的批量化制造提供了全新的解决方案。     

紫外成像器件中衍射微透镜阵列设计与研制

为了提高紫外成像器件的填充因子,解决凝视型高性能紫外成像器件的核心技术问题,根据标量衍射理论设计了用于128×128日盲型紫外成像器件的微透镜阵列,其工作中心波长为350nm,单元透镜F数为3.56。采用组合多层镀膜与剥离的工艺方法制备衍射微透镜阵列,对具体的工艺流程和制备误差进行了分析,测量了衍射微透镜阵列的光学性能。实验结果表明:衍射微透镜阵列的衍射效率为86%,与理论值95%有偏差,制备误差主要来自对准误差和线宽误差。紫外衍射微透镜阵列的整体性能满足了微透镜阵列与紫外成像阵列的单片集成要求。     

基于电场驱动熔融喷射聚合物基复合材料高分辨率3D打印

针对当前聚合物基复合材料（Polymer matrix composites,PMC）成型存在打印分辨率低、打印材料受限、成型结构较为简单、工序复杂等方面的不足和局限性,尤其是还面临难以实现宏/微结构跨尺度高效制造的挑战性难题,提出一种基于电场驱动熔融喷射PMC高分辨率3D打印新工艺。阐述了基于电场驱动熔融喷射PMC高分辨率3D打印的基本原理和工艺流程。通过试验,揭示了主要工艺参数（碳填料含量、施加电压、螺杆转速、打印速度、加热温度等）对于打印件分辨率（精度）和质量的影响及其规律。利用自主搭建的试验平台,并结合试验优化的工艺参数和提出的两种打印模式,实现了多层石墨烯/聚乳酸（Polylactic acid,PLA）和多壁碳纳米管/PLA复合材料微尺度三维网格、多层石墨烯/PLA大高宽比薄壁圆环、多壁碳纳米管/PLA复合材料柔性导电网格以及其他聚合物复合材料3D结构典型工程案例的制造。研究结果表明,提出的电场驱动熔融喷射3D打印能实现高分辨聚合物基复合材料成型（使用内径300 μm喷嘴,实现了分辨率为40 μm的PMC特征结构制造）,而且还具有大面积宏/微结构跨尺度集成制造的优势。     

一种高效率低成本制作微透镜阵列的方法

通常采用的多次掩模光刻和离子束刻蚀制作微透镜阵列的方法不但制作效率低,而且易产生较大的制作误差。提出了一种在硅基底聚合物薄膜上热压制作微透镜阵列的工艺方法,并利用自制的热压印设备进行了热压制作衍射微透镜阵列的试验,讨论了影响压印精度的温度和压力等工艺参数,对压印的衍射微透镜阵列进行了轮廓测试和部分光学性能测试。测试结果表明,压印制作微透镜阵列的复形误差小于10%,衍射效率高于90%,为高效率低成本制作微透镜阵列提供了一种新的方法。     

微透镜阵列莫尔放大作用及其防伪特征的研究

为了研究微透镜阵列防伪膜的工作原理和防伪作用,首先,从最基本的莫尔条纹相关理论着手,推导出有关莫尔条纹特性的公式;然后,再将微透镜阵列防伪膜的微透镜阵列和微缩文字阵列看作两个具有固定周期的光栅,将莫尔条纹相关公式应用到微透镜阵列防伪膜上,研究了莫尔放大作用和透镜放大作用的匹配问题;最后,通过实验制备出了样品,得到了微透镜阵列防伪膜制备过程中的关键因素。     

大视场并列型仿生复眼光学系统

为了实现大视场微型仿生复眼系统的增材制造,对仿生复眼的成像原理、微透镜阵列与中继系统的设计以及复眼系统的机械结构进行了研究。根据仿生复眼的光学原理设计出单个微透镜,并完成微透镜阵列。通过设计中继系统,使曲面阵列所成的曲面像转换成平面像,从而被平面探测所接收。将微透镜阵列与中继系统组合并对其进行优化。为了满足复眼系统3D增材制造工艺,对其机械结构进行设计。整个复眼系由3481个紧密拼接的正六边形微透镜组成,每个微透镜的视场为4°,通光口径为110μm,整个复眼的视场为123.7°。在120 lp/mm处,复眼各视场的MTF值均大于0.3,各视场点列图的RMS半径均小于艾里斑半径。该系统成像质量良好,公差分析结果表明其像质满足成像要求,满足增材制备工艺需求。     

基于电场驱动熔融沉积直写和微转印大面积透明电极制造

透明导电电极在触控屏、OLED、有机太阳能电池、电子纸、LCD、透明显示、透明电磁屏蔽等诸多光电子产品领域有着非常广泛的应用,然而,如何实现大面积银网格透明电极的低成本、批量化制造是学术界和产业界共同面临的一项挑战性难题和亟待突破的技术。结合电场驱动熔融沉积直写和液桥微转印技术,提出一种实现大面积透明电极低成本、批量化制造的新方法,通过试验揭示了主要工艺参数（打印床温度、功能材料表面张力、固化条件）对所制造透明电极分辨率和质量的影响及其规律,利用提出的方法并结合优化的工艺参数,实现了图案化面积20 mm×20 mm,线宽4 μm,周期200 μm,透光率88.15%、方阻约12 Ω/sq的纳米银网格透明电极的制造。结果表明,基于电场驱动熔融沉积直写和微转印的大面积透明电极制造方法具有成本低、精度高、一致性好、效率高的显著优势,为大面积透明电极规模化制造提供了一种具有工业化应用前景的全新解决方案。     

电场驱动μ-3D打印蜡基微流控模具

提出了一种基于电场驱动微尺度3D打印制备蜡基材料微结构的工艺。通过脉冲直流产生自激发静电场驱动皮升级体积石蜡微滴喷射沉积成形;研究了打印参数如气压、电场强度、脉冲频率及占空比等因素对于蜡模打印的影响;优化实验参数,制作了可用于PDMS转印的石蜡微模板,模板线宽为61.25 μm,高度为44.13 μm;结合微转印技术和等离子改性技术制作了微米级微流道芯片样件,并通过实验验证了其具备微流控芯片的基本特征。     

Highly uniform manufacturing method for large-area microlens arrays

The microlens array is a key microstructure component in imaging systems, such as in light field cameras. A resolution of the light field camera can facilitate the use of a small-area microlens array. However, fabricating a large-area microlens array with a highly accurate and consistent surface finish is still difficult and high-cost. A low-cost manufacturing method is proposed in this study, where the mould core of the microlens array is fabricated with high precision and high uniformity by cylindrical ultra-precision diamond turning. The proposed tool path strategy is employed to achieve superior surface quality and avoid the dynamic vibration of an unsmooth path. Light field camera prototypes are developed using a commercial DSLR camera with a fabricated microlens array. The successful performance of the prototypes confirms that the proposed manufacturing method satisfies the application demands of large-area microlens arrays.     

球面上微透镜阵列超精密慢伺服加工精度影响因素的研究

超精密慢伺服车削可加工出高精度的连续和非连续自由曲面,但是在微透镜阵列的加工过程中,不同位置的透镜加工精度也不同,个别子透镜的质量降低可能引起整个功能部件的失效。为了研究曲面上微透镜阵列超精密慢伺服加工精度的影响因素,本文采用实验的方法分析基面几何形状和子透镜位置对球面上微透镜阵列慢伺服车削加工精度的影响,通过在三种不同球径的基面上加工微透镜阵列,并使用Bruker GT-X白光干涉仪测量所加工的基面和微透镜阵列,分析了不同基面上不同位置的子镜表面粗糙度和形状精度的变化趋势。实验结果表明,同一基面上不同位置的子透镜,慢伺服车削加工表面微观形貌不同,表面粗糙度和形状精度也不同;基面的几何形状也会影响子镜的加工精度,当基面球径从50 mm增大至150 mm时,外圈子镜的表面粗糙度从75.78 nm(Ra)变小为69.08 nm(Ra)。在超精密慢伺服加工微透镜阵列过程中,必须考虑基面几何形状和子透镜位置两个因素对加工精度的影响,这将有助于提高微透镜阵列加工精度的一致性并保证微透镜阵列功能的有效性。     

Micro-rapid-prototyping via multi-layered photo-lithography

Rapid prototyping (RP) is widely used for part fabrication in the normal scale. For fabrication in micro-scale applications such as integrated circuit (IC), micro-electro-mechanical system (MEMS), methods such as surface and bulk machining are commonly used. This paper introduces a micro-fabrication technique using the RP principle, i.e., layered manufacturing, combined with mask-based micro-lithography, which is usually used in semiconductor industry. An ultraviolet (UV) excimer laser at the wavelength of 248 nm was used as the light source. A single piece of photo-mask carrying various patterns of multiple layers obtained from slicing a three dimensional (3D) micro-parts was employed for the lithography process. The preliminary results show that a certain RP photopolymer can be applied for the micro-RP, and solid layers with sharp edges can be formed from the liquid photopolymer identified. Using a unique alignment technique, a five layered gear of 1 mm in diameter has been successfully fabricated using the proposed method .     

The design of a semi-additive manufacturing shape using metal 3D printing for a partially strengthened mold based on a high-alloy tool steel powder

In this paper, describe the fabrication of high strength punch molds that can be applied to ultra-high strength sheet materials after processing. A method for improving the strength of the punching die by additive manufacturing (AM) of a high strength powder material using a metal 3D printer was proposed. Furthermore, a semi-additive technique was proposed to increase the punch strength through partial AM of specific parts of the punch that require high strength. A preprocessing process for predicting the semi-additive shape for the punch function portion is proposed for application of the AM technology of a metal 3D printer to this semi-additive technique. The preprocessing for determining the semi-additive shape consists of the predicting step of the punch strength based on the shear process of the sheet material, analyzing step the stress distribution of the punch, defining step the semi-additive range, designing step the semi-additive shape, and verifying step the additive interface strength. Based on this simulation, the range of shapes for the semi-additive was 1.21 mm and 2.62 mm for sheet material CP1180 and 1.3 mm and 3.2 mm for sheet material 22MnB5. The shape and range determined in the simulation process defines a semi-additive area (volume) for the 3D printing AM technique using a high-strength powder material, and a semi-additive punch was manufactured according to the defined area. The semi-additive punch (HWS powder material) fabricated in this study was performed a durability test for validity verification in the piercing process of high-strength sheet material (CR980). This validation test compared the state of the punch after 1000 piercing processes with a typical cold piercing punch (SKD11 solid material). From this test, the feasibility of the semi-additive punch was confirmed by showing a similar state of scratches and abrasion from the two punches. The simulation analysis processor for the additive shape and the additive range prediction for the semi-additive punch manufacturing presented in this paper can be useful for the additive manufacture of cutting and trimming punch mold.

     

柔性触觉传感器的三维打印制造技术研究进展

聚合物基柔性触觉传感器在智能机器人、人工假肢与人体健康状态监测等领域有着广泛的应用,将三维打印技术应用于柔性触觉传感器的制造过程可以克服传统制造方法加工周期长、复杂聚合物基微结构制造困难等缺陷。因此发展聚合物基触觉传感器的三维打印制造技术及工艺是当前的学科研究热点,具有广阔的发展前景。首先,在阐述柔性触觉传感器的传感检测原理和性能指标的基础上,重点阐述了柔性触觉传感器三维打印制造技术方面的最新研究进展,包括聚合物基柔性触觉传感器的结构设计、三维打印材料的分类和应用、以及传感器的打印制造方法及工艺等。然后,还总结预测了基于新材料制备和新制造工艺的柔性触觉传感器设计与制造的发展趋势,并对柔性触觉传感器的三维打印制造技术未来的发展趋势进行了展望。     

纸基RFID标签天线喷射打印化学反应沉积成形

针对目前射频识别(RFID)标签天线制备成本高、工艺复杂等问题,提出微滴按需喷射3D打印与化学沉积技术相结合制备半波偶极子天线的方法。利用构建的气动式双喷头微滴喷射系统,采用试验研究的方法,对系统按需喷射条件下产生硝酸银与抗坏血酸微滴的一致性以及基板运行速度对成线均匀性的影响进行研究,并对成形导线的电阻率进行测试;在此基础上设计、仿真和制备了半波偶极子天线,对其性能参数进行了测试。结果表明:系统产生的微滴均匀性较好;基板速度小于或等于0.5mm/s时,硝酸银成线边缘光滑度较好;成形导线的电导率为1.57×10~(-5)Ω·m;打印成形的半波偶极子天线谐振频率、谐振点回波损耗S_(11)参数等与仿真结果具有较好的一致性。为RFID标签天线提供了一种低成本制备方法。